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Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Federn
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Federn, um
deren Leistungsfähigkeit bzw. Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen zu verbessern.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Es ist bekannt, daß belastete Federn progressiv dazu neigen, in bestimmtem
Umfang eine Permanentverformung anzunehmen, wobei diese Neigung mit anwachsenden
Betriebs-bzw. Arbeitstemperaturen der Federn anwachsen. Dieser Effekt kann in bestimmten
Fällen zu ernsthaften Problemen führen, beispielsweise im Fall von in Verbrennungskraftmaschinen
verwendeten Schraubendruckfedern, die als Ventilfedern erhöhten Temperaturen bis
zu 160°C ausgesetzt sind.
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Zum Ausschalten dieser Probleme sind Versuche unternommen worden,
Federn, die bei erhöhten Temperaturen einer Belastung ausgesetzt sind, zu stabilisieren,
indem man diese Federn einer Hitzestabilisierungsbehandlung unterwirft, bei der
die Federn vorsätzlich erhitzt und in diesem Erhitzungszustand belastet werden,
so daß sie sich entspannen oder zusammenfallen können; durch diese Verfahrensweise
kann in geringem Umfang die Neigung der Federn herabgesetzt werden, ihre physikalischen
Eigenschaften im Verlauf von anschließenden Belastungen bei erhöhter Temepratur
zu verändern. Die Art und Weise der Hitzebehandlung von Federn ist jedoch kritisch,
und die bekannten Verfahren und Techniken haben sich als nicht zufriedenstellen
herausgestellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Hitzebehandlung
von Federn zu schaffen, welches gewährleistet, daß die behandelten Federn auch im
Belastungsfall bei hohen Temperaturen ihre Eigenschaften im wesentlichen unverändert
beibehalten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch
gekennzeichnet, daß man die Feder in einer ersten Stufe durch Anlegen einer Kraft
bestimmter Größe belastet und die Feder unter Beibehaltung dieser Belastung in ausreichendem
Umfang erhitzt, so daß sie anfängt, sich zu entspannen oder zusammenzufallen, und
daß man dieses Erhitzen so lange aufrechterhält, bis der Entspannungsprozeß der
Feder einen vorgegebenen Wert erreicht hat, bei dessen Erreichen der Heizprozeß
automatisch unterbrochen wird, und daß man anschließend die Feder wieder entlastet,
wenn sie sich auf Umgebungstemperatur abgekühlt hat.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß man nach
Unterbrechen des Heizprozesses die weiterhin belastete
Feder mit
einem Kühlmittel behandelt bzw. abkühlt. Es kommt dabei zu einem schnellen und bevorzugten
Abschrecken der Feder. Im Fall von Schraubendruckfedern hat sich diese Verfahrensweise
bei der Bearbeitung von größeren Stückzahlen von Federn als bevorzugt herausgestellt,
die im Belastungsfall eine ungewöhnlich genaue und gleichmäßige Länge haben, wobei
auch die Federeigenschaften insbesondere nach Dauerbelastung und die physikalischen
Eigenschaften bei Belastung der Federn bei höheren Temperaturen verbessert sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß
man die Feder elektrisch erwärmt bzw. erhitzt, indem man durch die belastete Feder
einen Heizstrom schickt, und daß zum Abschalten des Heizstromes ein Schalter automatisch
betätigt wird, sobald die Feder eine vorgegebene Länge erreicht, die für den vorgegebenen
Entspannungswert charakteristisch ist.
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Im Fall einer Schraubenfeder, insbesondere einer Schraubendruckfeder,
wird dieser Entspannungswert durch eine bestimmte Federlänge repräsentiert. Das
Verfahren ist vorzugsweise weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach
Beendigung des Heizprozesses von einem Schalter über einen zugeordneten Stromkreis
ein Ventil für die Zufuhr eines Kühlmittels in Form einer Kühlflfissigkeit betätigt
wird, um die immer noch belastete Feder abzuschrecken.
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Im allgemeinen ist die Temperatur, auf die die Feder während der Behandlung
erhitzt wird, nicht kritisch, so lange diese Temperatur über der Betriebs- oder
Arbeitstemperatur liegt, bei der die Feder später im Einsatz ist, und unter einer
Temperatur, die zu einer Permanentveränderung der physikalischen Federeigenschaften
führen würde. Für eine in einer Verbrennungskraftmaschine einzusetzenden
Schraubendruckfeder
beträgt die Erhitzungstemperatur vorzugsweise 100 - 400 0C. Gewöhnlich werden sowohl
der Heizstrom, der die Erhitzungstemperaturen bestimmt, und die Größe der Federbelastung
so ausgewählt und aufeinander abgestimmt, daß die einzelne Feder eine bestimmte
Zeitlang der Behandlung ausgesetzt ist.
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Bei der Behandlung von Schraubendruckfedern ist gemäß weiterer Erfindung
vorteilhafterweise vorgesehen, daß man die Feder vor dem Erhitzen in einer Vorschaftstufe
temporär im wesentlichen vollständig bei Umgebungstemperatur zusammendrückt, indem
man die Feder ohne Erwärmung derselben einer Vorbelastung aussetzt. Die Vorlast
ohne Erhitzung ist vorteilhafterweise größer als die Vorbelastung, der die Feder
während des Erhitzungsprozesses ausgesetzt wird; diese größere Vorlast führt dazu,
daß die Feder in bestimmten Umfang eine anfängliche Permanentverformung erfährt,
die zu einer Reduzierung der Behandlungszeit während der folgenden Erhitzungsbehandlung
führt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie
eine Tragfläche zum Tragen der zu behandelnden Feder aufweist, derart, daß die Feder
ihre dimensionalen Eigenschaften frei verändern kann, daß ein Arbeitsaggregat vorgesehen
ist, um auf die von der Tragfläche getragenen Feder eine Belastung vorgegebener
Größe auszuüben, daß Organe insbesondere in Form elektrischer Anschlüsse vorgesehen
sind, um die belastete Feder zu erhitzen, und daß eine Schalteinrichtung vorhanden
ist, um automatisch den Heizprozeß zu unterbrechen, wenn sich die dimensionalen
Eigenschaften der belasteten Feder infolge des Erhitzens verändert und einen Grenzwert
erreicht haben, der einem vorgegebenen Entspannungswert der Feder entspricht.
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Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung insbesondere für die Behandlung
von Schraubenfedern, insbesondere Schraubendruckfedern geeignet, und daß erfindungsgemäße
Verfahren
wird daher im folgenden an Hand einer Vorrichtung zur
Behandlung von Schraubendruckfedern beschrieben, die zum Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen
vorgesehen sind.
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Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Seitenansicht
und Fig. 2 in schematischer Darstellung eine Draufsicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die in den Zeichnungen dargestellte Maschine weist eine Sockelplatte
1o auf, über deren horizontaler Tragfläche 11 das Arbeitsaggregat 12 angeordnet
ist, das einen in vertikaler Richtung beweglichen Kolben 14 umfaßt, der mit einem
oder mehreren Gewichten 15 belastet werden und auf dem oberen Ende einer Feder 16
aufliegen kann, die aufrecht auf der Tragfläche 11 abgestützt ist. Das Arbeitsaggregat
12 wird von einer überkragenden Rahmenplatte 18 getragen, die auf Säulen 19 ruht
und einen Montageblock 20 trägt, der mit einer vertikalen Bohrung 21 für den Kolben
14 versehen ist.
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Auf der Rahmenplatte 18 ist außerdem ein pneumatischer Steuerzylinder
22 montiert, der zum Anheben des Kolbens vor und nach jedem Arbeitszyklus dient.
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Dieser Steuerzylinder 22 umfaßt einen vertikal angeordneten Luftzylinder
24, dessen Kolbenboden 25 innerhalb eines Zylinderraumes 26 eines Gehäuses 27 geführt
ist, das starr an dem oberen Ende des Kolbens 14 befestigt ist. An dem Kolbenboden
25 sind im Abstand voneinander drei Zylinderzapfen 30 befestigt, die nach unten
durch die Bodenplatte 29 des Gehäuses 27 ragen und Stempel bilden, die gegen die
Oberseite des Montageblocks 20 zur Anlage gebracht werden können. Wenn der Kolben
25 seine untere Stellung in dem Zylinderraum 26 einnimmt, erstrecken sich die Zylinderzapfen
30 in größt möglichem Umfang durch die Bodenplatte 29, wodurch das Gehäuse 27
und
damit der Kolben 14 in der in Fig. 1 in vollen Linien dargestellten Position maximal
hochgehoben sind. Wenn der Luftzylinder 24 in Betrieb gesetzt wird, um den Kolben
25 in den Zylinderraum 26 nach oben zu bewegen, werden die Zylinderzapfen 30 relativ
zum Gehäuse 27 eingezogen, so daß sich dieses Gehäuse 27 zusammen mit den Kolben
14 nach unten bewegt.
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Von einer Niederspannungs -Hochs tromquelle (beispielsweise im Bereich
1 bis 6 Volt, d.h. ausreichend niedrig, um bei einigen 100 Amperes eine Funkenbildung
zu vermeiden) kommende elektrische Anschlüsse 32, 33 sind einerseits an einem eine
Kontaktplatte 34 in der Tragfläche 11 bildenden Kupfereinsatz und andererseits an
eine Kontaktplatte 35 in Form eines isolierten Kupfereinsatzes angeschlossen, der
an dem unteren Ende des Kolbens 14 angebracht ist, so daß mit den gegenüberliegenden
Enden der Schraubenfeder 16 ein guter elektrischer Kontakt hergestellt werden kann,
so daß während des Betriebes der Durchgang des elektrischen Heizstromes möglich
ist. Es ist außerdem ein Grenzschalter vorgesehen, der dann anspricht, wenn der
Kolben 14 bis zu einer bestimmen Höhe oberhalb der Tragfläche 11 abgesenkt worden
ist, um den Stromkreis des Heizstromes zu unterbrechen.
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Dieser Grenzschalter ist an dem Montageblock 20 befestigt und in Fig.
1 in Form eines Mikroschalters 38 dargestellt, der von einem an dem Gehäuse 27 befestigten
und nach unten ragenden Finger 39 betätigbar ist; der Grenzschalter kann jedoch
auch alternativ als Näherungsschalter ausgebildet sein. Der Grenzschalter ist in
nicht dargestellter Weise verstellbar montiert, um so bei den erforderlichen Höhenstellungen
des Kolbens 14 betätigt zu werden, und die zugeordnete (nicht dargestellte) elektrische
Schaltung
ist derart gestaltet, daß der Grenzschalter auch gleichzeitig
mit dem öffnen des Heizstromkreises einen anderen Stromkreis schließt, durch den
ein Ventil geöffnet wird, durch das ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser mit einem
Korrosionsinhibitorzusatz, einem Kühlmittelauslaß 40 in der Sockelplatte 1o unterhalb
der Schraubenfeder 16 zugeführt wird. Die Schraubenfeder 16 wird dadurch schnell
am Ende der Heizstufe abgekühlt bzw. abgeschreckt, während sie sich noch unter Belastung
befindet.
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Die beschriebene Maschine bzw. Vorrichtung enthält weiterhin Einrichtungen,
um auf jede sich noch in kaltem Zustand befindliche Feder in einem vorangeschalteten
Arbeitsgang eine Vorspannungsbelastung einwirken zu lassen. Diese Einrichtung umfaßt
einen aufrecht stehenden Luftzylinder 45, der im Abstand von dem Arbeitsaggregat
12 auf bzw.
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an der Rahmenplatte 18 montiert ist. Jede zu behandelnde Feder wird
zuerst unterhalb des Kolbens 46 des Luftzylinders 45 auf die Tragfläche 11 gestellt,
und der Kolben 46 wird abgesenkt, um auf die Feder eine Druckkraft auszuüben, die
im wesentlichen ausreicht, um die Feder vollständig zusammenzudrücken. Der Kolben
46 wird dann wieder hochgefahren, und die vorbehandelte Feder wird anschließend
unterhalb des Montageblocks 20 auf die Kontaktplatte 34 gestellt, so daß man dann
die bereits beschriebene Heißbehandlung durchgeführt werden kann.
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Um eine größere Menge Federn zu behandeln und sie aufeinanderfolgend
den Arbeitsstufen zuzuführen, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Maschine
mit einer geeigneten Fördereinrichtung bzw. einem automatischen Zulieferer versehen.
Bei der dargestellten Ausführungsform weist der Förderer oder Zulieferer einen Schlitten
50 auf, der entlang zweier FUhrungsstange-n 51, 51 verschiebbar ist, die oberhalb
der Sockelplatte 1o montiert sind.
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Der Schlitten trägt drei verschwenkbar montierte Mitnahmefinger 53,
die mittels einer Kupplungsstange 54 miteinander in Verbindung stehen. In ihrer
wirksamen Mitnahmestellung stehen die Mitnahme finger 53 rechtwinklig zur Bewegungsrichtung
des Schlittens, so wie es in Fig. 2 mit vollen Linien dargestellt ist, und die Mitnahmefinger
werden in dieser Position von einer Reibungseingriffsklaue gehalten, beispielsweise
einer federbelasteten Kugelklaue.
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Die Mitnahmefinger 53 können jedoch bei Aufbringen einer entsprechenden
Druckkraft in die in Fig. 2 strichpunktiert dargestellte unwirksame Position verschwenkt
werden.
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Die Bewegung des Schlittens 50 wird von einem Zuführluftzylinder 55
gesteuert. Die zu behandelnden Federn werden durch eine Rutsche 57 einer Aufgabestation
X auf der Tragläche 11 der Sockelplatte 1o zugeführt; diese Aufgabestation X liegt
in einer Linie mit der Kaltpress-Station Y unterhalb des Luftzylinders 45 und der
Heißpresstation Z unterhalb des Arbeitsaggregates 12, wobei die Abstände zwischen
diesen Stationen X, Y und Z jeweils gleich groß sind und dem Abstand zwischen den
Mitnahme fingern 53 entsprechen.
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Bei dem ersten Zuführhub des Zuführluftzylinders 55 wird eine sich
in der Aufgabestation X befindliche Feder von dem in der Zeichnung rechts dargestellten
Mitnahmefinger 53 erfaßt und zur Kaltpresstation Y mitgenommen und in diesem Augenblick
erreicht der in der Zeichnung links dargestellte Mitnahmefinger 53 einen stationären
Anschlag bzw.
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Nocken 60, durch den dieser links dargestellte Mitnahmefinger 53 und
damit auch die übrigen Mitnahmefinger in ihre unwirksamen Stellungen verschwenkt
werden, sobald dieser erste Arbeits- bzw. Zuführhub beendet ist. Der Zuführluftzylinder
führt dann einen Rückwärtshub aus, an dessen Ende der in der Zeichnung rechts dargestellte
Mitnahmefinger 53 gegen einen stationären Nocken bzw. Anschlag
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zur Anlage kommt, derart, daß am Ende des Rückwärtshubes alle drei Mitnahmefinger
53 wieder zurück in ihre wirksamen Mitnahmestellungen verschwenkt werden. In der
Kaltpreß-Station Y kann nunmehr die Kaltpreß-Operation durchgeführt werden, bevor
der Zuführluftzylinder 55 seinen nächsten Zuführ- oder Mitnahmehub ausführt, bei
dem die in der Kaltpreß-Station Y vorbehandelte Feder von dem mittleren Mitnahmefinger
53 zur Heißpreßstation Z gefördert wird, während von dem rechts außen liegenden
Mit--ahmefinger 53 eine weitere Feder von der Aufgabestation X zur Kaltpreßstation
Y gefördert wird. Nach dem nächstfolgenden Rückwärtshub des Zuführ-Luftzylinders
55 und den entsprechenden von den Nocken 60 und 61 gesteuerten Stellbewegungen der
Mitnahmefinger 53 wird die erste Feder im Bereich der Heißpreß-Station Z einer Heißpreß-Operation
unterworfen, während die zweite Feder im Bereich der Kaltpreß-Station Y einer vorbereitenden
Kaltpreß-Operation unterliegt.
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Die nächstfolgenden Federn werden in der gleichen Weise jeweils von
der Aufgabestation X über die Kaltpreß-Station Y der Heißpreß-Station Z zugeführt,
aus der die jeweils vorher einer Heißpreß-Operation unterworfene Feder von dem inken
Mitnahmefinger 53 ergriffen und einer Abgabestation W zugeführt wird, die im wesentlichen
durch eine Abgabeöffnung 70 in der Sockelplatte lo gebildet ist. Diese Abgabestation
W wird jeweils kurz vor dem Ende des jeweiligen Zuführhubes erreicht.
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Der Behandlungsprozeß kann dann entsprechend häufig wiederholt werden,
wobei jeweils drei Federn schrittweise während der Zuführhube den einzelnen aufeinanderfolgenden
Stationen zugeführt werden, wobei geeignete Schaltventile oder Schaltkontakte, von
denen ein Schaltkontakt 68 dargestellt ist, und geeignete Zeitglieder vorgesehen
sein können, um die Arbeitsabläufe in den einzelnen Stufen und während der Zuführhübe
zu steuern.
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Falls erwünscht können mehrere der beschriebenen Aggregate in einer
einzigen Maschine mit einer gemeinsamen Federzuführeinrichtung zusammengefaßt sein,
wobei zur gleichzeitigen Behandlung mehrerer Federn die Arbeitsaggregate in Mehrfachanordnung
vorhanden sein können.
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